量子产率测量系统

1. 什么是量子产率？ 荧光量子产率是发射的光子数与吸收光子数之比，如下图所示。 图1 量子产率示意图 量子产率的大小可以表示物质的发光能力，量子产率越大，说明荧光材料的质量越好。依据量子产率可以对生物领域中的荧光探针进行开发和评估，同时助力于照明领域中有机EL材料和荧光物质的开发。量子产率的类型，按照测定的样品来分，有两种，固体量子产率和液体量子产率。按照量子产率测定方式，可以分为绝 对量子产率和相对量子产率。2. 固体量子产率测定2.1 测定装置固体量子产率的测定需要使用积分球附件，通过积分球的光收集效应，样品向各个方向发射的荧光都可以被检测到，保证荧光的准确测量。图2 量子产率附件日立荧光量子产率附件具有以下特点： i. 6阶动态范围的高精确度、高灵敏度测量，即使是量子产率较低的样品，也可以得到高精度测量。 ii. 有效的光谱校正功能，由于样品需要放置在积分球上进行测量，因此需要对积分球的波长特性进行校正才可以测定到准确的荧光量。积分球的校正比较困难，日立开发了一种简易有效的方法，利用扩散子和积分球的比例，进行校正。从而可以在200~800nm的宽波长范围内测定校正光谱。 iii. 高速扫描，对于有光敏性的物质，超高的扫描速度提高通量，有效测量其量子产率。 iv. 专用量子产率计算软件，易于选择计算范围，操作更便利。2.2 测定技巧对于量子产率较大的样品，一般指量子产率大于0.5的样品，需要考虑间接激发产生的量子产率。间接激发指的是没有被样品吸收的激发光反射到积分球内壁上，被积分球内壁反射再次激发样品产生荧光。图3 直接激发示意图通过将样品放置在积分球不同位置，以校正间接激发产生的量子产率，如图4所示。 通过对样品进行不同放置，获得直接激发的量子产率Φd和间接激发的量子产率Φi，利用公式（1）得到校正之后的样品实际量子产率Φ。图4直接激发样品位置（左）和间接激发样品位置（右）更多技巧点击：量子产率测量技巧检测仪器_检测方案_日立高新技术公司 (instrument.com.cn)总结：日立荧光量子产率测量附件具有高灵敏度和六位数的动态范围，即使样品量子产率比较低，也可以准确测定；高扫描速度，减少激发光对避免光敏性物质的影响；校正积分球的波长特性，确保结果准确；吸收池支架，实现液体量子产率的测定。

1. 引言量子产率是评价荧光材料发光效率的重要参数，复合荧光材料通常由两种或两种以上的材料组成，依据样品的量子产率分布可以确认每种成分的发光效率，助力于样品的精细化分析。 日立荧光分布成像系统能够同时获取样品图像和光谱信息，从而实现精细化测量，此次实验测定了复合荧光材料的量子产率分布。 2. 应用数据 2.1 附件介绍荧光分布成像系统是荧光分光光度计的新附件，包含软件和硬件两部分。入射光通过附件中的积分球均匀照射到样品，通过荧光分光光度计的检测器获取荧光光谱，利用积分球下方的CMOS相机同时获取样品荧光和反射图像。图1 荧光分布成像系统安装示例利用样品的反射图像计算出吸收量，利用荧光图像计算出荧光量，从而计算得到量子产率分布图像。 图2 量子产率分布图像计算过程 2.2 实验部分 实验材料 样品：复合荧光材料 测量设备：日立F-7100，荧光分布成像系统 结果与分析使用日立F-7100测定样品的三维荧光光谱，通过荧光分布成像系统的分析软件对样品三维荧光光谱进行平行因子分析（PARAFAC），得到如图两种成分。图3 样品的三维荧光光谱 通过荧光分布成像系统中的智能光谱算法，将拍摄的样品图像分离为反射成分图像和荧光成分图像，如图所示。图4 样品的拍摄图像和反射、荧光图像在荧光分布成像系统软件中，可以将不同激发波长下样品的图像信息保存为如下缩略图，直接用于文档中。图5 不同激发波长下的样品图像（缩略图）对获得的样品荧光图像和反射图像进行分区，如下图将样品测量区域分成5x5的格子，选取不同的格子，坐标系中便显示对应的光谱。图中选取的两个位置分别对应平行因子分离出的成分1和成分2。图6 样品的荧光图像和荧光光谱图7 样品的反射图像和反射光谱基于以上样品的荧光图像和反射图像，软件自动计算出对应的量子产率分布图像，如下图，通过点击图像中不同的区域，可以获得对应的量子产率曲线。图8 量子产率分布和不同激发波长的量子产率因此使用荧光分布成像系统将样品在不同激发波长下的拍摄图像分离为反射图像和荧光图像，可以计算出影响荧光材料发光效率的量子产率分布图，样品中黄色区域的量子产率约60%，红色区域的量子产率约35%。 3. 总结 荧光分布成像系统是日立首创的全新技术，与日立超高扫描速度的荧光分光光度计联用，助力客户实现更精细化的荧光分析。拨打电话400 630 5821，获取更多信息！

图1 来源：诺贝尔奖委员会官网。北京时间10月4日17时45分，有着“理科综合奖”之称的诺贝尔化学奖揭晓。瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔化学奖授予美国科学家Moungi G.Bawendi、Louis E Brus，俄罗斯科学家Alexei l.Ekimov ，以表彰他们对量子点的发现和研究。该奖项的授予充分表明了量子点技术在科学领域中的又一重要突破。 01量子点是一种纳米级半导体发光材料，通过施加一定的电场或光压，这些纳米半导体就会发出特定频率的光，而发出光的频率会随着半导体的尺寸的改变而变化。因此，我们通过控制它们的尺寸和形状，就可以控制其发出的光的颜色（如图2），从而获得独特的光学和电子特性（如图2）。 图2 量子点荧光随尺寸的变化示例。 由于量子点丰富的物理化学性质，吸引了很多学者投身其中，目前已经形成了很多重要的前沿技术。除了我们熟知的已经商业化的量子点液晶显示以外，量子点还可以用于未来显示、光伏发电、高性能激光光源应用、单光子光源应用以及作为荧光探针用于生物成像等。 02 作为一种独特的纳米材料，在量子点的研究中，首先会关注其光谱特征和量子产率；在一些情况下，电致发光效率和荧光寿命也是需要被测量的参数。 #宽广的光谱测量 在生物荧光探针等应用的量子点研究中，不仅需要测量可见光区的光谱，还可能需要测量近红外红外光的光谱。 图3 从可见到近红外连续光谱测量的双探测器方案。为了契合这样的需要，滨松Quantaurus-QY plus中不仅配备了高灵敏度高信噪比背照式CCD探测器（探测范围从紫外至约1100nm的近红外，如图3上左），而且配备了专门用于近红外波段的InGaAs探测器（从850nm至1650nm，如图3上右）。作为在光电行业深耕细作几十年，光探测器产品线非常宽广的技术型公司，滨松在Quantaurus系列产品中均选用了自产的探测器。并基于对探测器的深刻理解与定制，开发出了特有的“光谱无缝缝合”技术，使得通过可见光探测器和近红外探测器所得到的光谱能够衔接在一起（如图3），从而使用户可以在350-1650nm的范围内，横跨可见及近红外区域得到完整且精准的光谱和真实的量子产率数值。(如图4） 图4 文献案例：横跨可见到红外的光谱测量。500nm左右的峰为吸收光谱，1300nm左右的峰为发射光谱。(N. Hasebe, et al. Anal. Chem.&ensp 87&ensp (2015), 2360)。 #精准的量子产率测量滨松量子产率测试仪对上至100%，下至1%以下的量子产率都具有非常准确的测量能力（如图5）。 图5 滨松量子效率分析仪对一些标准样品的测试值与文献值的对比(K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 9850)。 为了得到精确的结果，除了在硬件方面精益求精，滨松也一直在研究量子产率测量中的各种误差来源。比如对于许多量子点，激发光谱和发射光谱会有所重叠（如图6）；这意味着量子点发出的荧光有可能被自身再次吸收——这种自吸收（reabsorption)现象会导致量子产率的测量值低于真实值，而且越浓的溶液低估得越厉害（如图7）。图6 几种量子点的吸收及发射光谱。实线为吸收光谱，多点连线为发射光谱；蓝绿黑红对应着量子点尺寸从小到大。(U. Resch-Genger, et al. Nat. Methods 5 (2008), 763)。 针对这种低估量子产率的可能，滨松运用了对应的自动测量流程及算法（K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys.&ensp 11&ensp (2009), 9850）保证得到最为准确的量子产率读数（如图7）。 图7 自吸收（Reabsorption)校正结果示例(K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 9850)。#滨松量子产率测量仪Quantaurus-QY plus